Java应用【XV】使用Java中的TensorFlow来构建和训练机器学习模型

时间：2021-06-16 00:41:36

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一、引言

1.1 TensorFlow简介

TensorFlow是由Google Brain团队开发的开源深度学习框架，于2015年首次发布，目前已成为业界广泛使用的深度学习框架之一。TensorFlow提供了一个灵活的、高度可扩展的平台，可用于构建和训练机器学习模型，包括图像识别、语音识别、自然语言处理、推荐系统等多个领域的任务。

TensorFlow的核心是一个基于数据流图的计算模型。在TensorFlow中，一个数据流图由一系列节点和边构成，其中节点代表计算单元，边代表数据流。节点执行各种数学运算和其他操作，如矩阵乘法、卷积、激活函数、优化器等。TensorFlow提供了一系列API，可以用于定义和运行计算图，以及训练和评估机器学习模型。

TensorFlow的优点包括高度可扩展性、广泛的社区支持和生态系统，支持分布式计算和多种硬件加速器，包括CPU、GPU、TPU等。此外，TensorFlow还提供了许多预训练的模型和工具，可用于快速开发和部署机器学习模型。

TensorFlow的缺点包括较高的学习曲线和较长的训练时间。由于TensorFlow的设计比较灵活，需要一定的编程知识和经验才能正确地构建和训练机器学习模型。另外，TensorFlow在训练大型模型时需要大量的计算资源和时间。

总的来说，TensorFlow是一个功能强大、灵活、高效的深度学习框架，适用于各种机器学习任务。TensorFlow的广泛应用和社区支持使其成为机器学习和人工智能领域的重要工具之一。

1.2 TensorFlow在机器学习中的作用

TensorFlow在机器学习中的作用非常重要，它提供了一种构建和训练机器学习模型的灵活且高效的方式，可以帮助研究人员和工程师快速开发出各种类型的机器学习应用，例如图像识别、语音识别、自然语言处理、推荐系统等。

在TensorFlow中，机器学习模型通常由多个节点组成的数据流图来表示。每个节点代表一个数学运算或其他操作，例如矩阵乘法、卷积、激活函数、优化器等。数据流图中的节点和边可以方便地表示机器学习模型中的各个组件和计算流程。

TensorFlow还提供了一系列API，可以用于定义和运行计算图、训练和评估机器学习模型。研究人员和工程师可以使用TensorFlow中的预训练模型或自己构建模型，并使用TensorFlow的训练API对模型进行训练。在训练过程中，TensorFlow可以利用多个CPU、GPU或TPU等硬件资源，加快模型的训练速度。

除了训练机器学习模型外，TensorFlow还可以用于模型的推理和部署。TensorFlow提供了一系列API和工具，可以将训练好的模型转换为可部署的形式，并集成到各种应用程序中，例如移动应用、Web应用和嵌入式系统等。

总的来说，TensorFlow在机器学习中的作用非常重要，它提供了一种高效、灵活的方式来构建、训练和部署机器学习模型，使得机器学习应用的开发和部署变得更加容易和高效。

1.3 为什么使用Java进行TensorFlow编程

使用Java进行TensorFlow编程有以下几个优点：

  1. 广泛的应用范围：Java是一种广泛应用于企业级开发的编程语言，拥有众多的应用场景，包括Web开发、大数据处理、人工智能等。因此，使用Java进行TensorFlow编程可以方便地将TensorFlow模型集成到各种企业应用中。
  2. 良好的跨平台支持：Java具有跨平台的特性，可以在多种操作系统和硬件平台上运行。这意味着使用Java进行TensorFlow编程可以保证模型的跨平台兼容性。
  3. 简单易学的语法：Java语法相对简单易学，与其他面向对象的编程语言相比，Java具有更为清晰的语法和较少的难度，这使得Java成为一种被广泛接受的编程语言。使用Java进行TensorFlow编程可以使得机器学习模型的开发过程更加高效、简单和易于维护。
  4. 强大的工具支持：Java拥有丰富的工具生态系统，可以帮助开发人员在编写代码时获得更好的支持。例如，Java提供了Eclipse、IntelliJ IDEA等集成开发环境（IDE），这些工具可以提供代码自动完成、代码调试等功能，极大地提高了开发效率。
  5. 简化代码复杂性：Java的面向对象编程思想可以帮助开发人员将复杂的代码结构进行分解，从而更好地实现TensorFlow模型的构建。Java语言中还有一些方便的工具库，可以帮助开发人员更轻松地编写高质量的代码，从而加快模型开发速度。

因此，使用Java进行TensorFlow编程具有许多优点，可以使得机器学习模型的开发过程更加高效、简单、易于维护，并且可以方便地将TensorFlow模型集成到各种企业应用中。

二、安装和设置

2.1 TensorFlow配置

安装步骤：

  1. 安装Java Development Kit（JDK）：Java Development Kit是Java的开发环境，因此在使用Java进行TensorFlow编程之前，需要先安装JDK。可以从Oracle官网下载并安装JDK。
  2. 下载TensorFlow Java库文件：从TensorFlow的官方网站或GitHub下载TensorFlow的Java库文件。
  3. 导入TensorFlow Java库文件：将TensorFlow的Java库文件导入到Java项目中，以便在代码中调用TensorFlow库的函数。
  4. 设置TensorFlow Java配置：在Java项目中设置TensorFlow Java配置文件，包括TensorFlow使用的默认设备类型、默认日志级别、默认保存模型路径等。
  5. 测试TensorFlow Java安装：编写一个简单的Java程序来测试TensorFlow Java的安装和设置是否正确。可以使用TensorFlow Java的示例程序或自己编写一个简单的程序。

Java中的TensorFlow配置可以通过以下几个方面进行：

  1. 设备类型：TensorFlow支持多种设备类型，包括CPU、GPU、TPU等。在配置TensorFlow时，可以指定TensorFlow使用的默认设备类型。可以使用以下代码来设置默认设备类型：
import org.tensorflow.Session;
import org.tensorflow.TensorFlow;

public class TensorFlowConfig {
public static void main(String[] args) {
// 设置默认设备类型为GPU
System.setProperty("tensorflow.device.gpu",
"0"); // 0表示第一个GPU，1表示第二个GPU，以此类推
// 或者设置默认设备类型为CPU
System.setProperty("tensorflow.device.cpu", "true");

// 初始化TensorFlow
TensorFlow.loadLibrary("tensorflow_jni");

// 创建一个TensorFlow会话
try(Session session = new Session()) {
// 会话操作
    }
  }
}
  1. 日志级别：TensorFlow支持多种日志级别，包括DEBUG、INFO、WARN、ERROR、FATAL等。在配置TensorFlow时，可以指定TensorFlow使用的默认日志级别。可以使用以下代码来设置默认日志级别：
import org.tensorflow.Session;
import org.tensorflow.TensorFlow;

public class TensorFlowConfig {
public static void main(String[] args) {
// 设置默认日志级别为WARN
System.setProperty("org.tensorflow.LogLevel", "3");

// 初始化TensorFlow
TensorFlow.loadLibrary("tensorflow_jni");

// 创建一个TensorFlow会话
try(Session session = new Session()) {
// 会话操作
    }
  }
}
  1. 保存模型路径：在TensorFlow中，可以将训练好的模型保存到文件中，以便后续使用。在配置TensorFlow时，可以指定默认的模型保存路径。可以使用以下代码来设置默认的模型保存路径：
import org.tensorflow.Session;
import org.tensorflow.TensorFlow;

public class TensorFlowConfig {
public static void main(String[] args) {
// 设置默认的模型保存路径
System.setProperty("tensorflow.models.dir", "/path/to/models");

// 初始化TensorFlow
TensorFlow.loadLibrary("tensorflow_jni");

// 创建一个TensorFlow会话
try(Session session = new Session()) {
// 会话操作
    }
  }
}

需要注意的是，TensorFlow的配置可能因操作系统和开发环境的不同而有所不同。在进行配置时，需要仔细阅读TensorFlow官方文档，并根据自己的实际情况进行配置。

2.2 使用Maven或Gradle管理依赖

  1. Maven依赖配置

在Maven中，需要在项目的pom.xml文件中添加以下依赖：

<dependencies>
<dependency>
<groupId>org.tensorflow</groupId>
<artifactId>tensorflow</artifactId>
<version>2.6.0</version>
</dependency>
</dependencies>

在添加了以上依赖后，Maven会自动下载TensorFlow相关的库文件，并将其添加到项目的classpath中。

  1. Gradle依赖配置

在Gradle中，需要在项目的build.gradle文件中添加以下依赖：

dependencies {
implementation 'org.tensorflow:tensorflow:2.6.0'
}

在添加了以上依赖后，Gradle会自动下载TensorFlow相关的库文件，并将其添加到项目的classpath中。

需要注意的是，由于TensorFlow依赖于一些本地库文件，因此在使用Maven或Gradle来管理TensorFlow的依赖时，可能需要进行一些系统配置，例如设置本地库文件的路径等。具体的配置方法可以参考TensorFlow官方文档中关于Java开发的章节。

三、TensorFlow基础知识

3.1 TensorFlow基本概念和术语

  1. Tensor：Tensor是TensorFlow中最基本的数据类型，它表示了一个多维数组。在TensorFlow中，所有的数据都被视为Tensor，包括输入数据、模型参数和输出结果等。
  2. Graph：Graph是TensorFlow中的另一个重要概念，它表示了一个计算图。在TensorFlow中，所有的计算都是通过构建和运行计算图来实现的。
  3. Operation：Operation是TensorFlow中的一个计算单元，它接收一个或多个Tensor作为输入，并输出一个或多个Tensor作为输出。例如，一个加法操作可以接收两个Tensor作为输入，并输出它们的和。
  4. Session：Session是TensorFlow中用于运行计算图的环境，它可以将计算图中的Tensor和Operation映射到底层的硬件资源上，并进行计算。在TensorFlow中，需要首先创建一个Session对象，然后再通过它来运行计算图。
  5. Variable：Variable是TensorFlow中的一个特殊类型的Tensor，它可以被用于存储模型参数，并在训练过程中进行更新。在TensorFlow中，需要使用Variable对象来创建模型的参数，并将它们添加到计算图中。
  6. Placeholder：Placeholder是TensorFlow中的一个特殊类型的Tensor，它可以被用于存储输入数据。在TensorFlow中，需要使用Placeholder对象来定义输入数据的形状和类型，并将它们添加到计算图中。
  7. Estimator：Estimator是TensorFlow中的一个高级API，它提供了一种简单的方式来构建和训练机器学习模型。使用Estimator可以将模型的构建和训练过程封装起来，并提供了许多方便的功能，如自动化的批处理、模型检查点等。

了解以上基本概念和术语，对于理解和使用TensorFlow非常重要。通过这些概念和术语，我们可以更加清晰地了解TensorFlow的工作原理，从而更加高效地构建和训练机器学习模型。

3.2 张量（Tensors）和操作（Operations）

在TensorFlow中，张量（Tensors）和操作（Operations）是两个非常重要的概念。张量是TensorFlow中的基本数据类型，它表示了多维数组，可以包含任意数量的维度和任意形状的元素。操作是TensorFlow中的计算单元，它可以接收一个或多个张量作为输入，并输出一个或多个张量作为输出。

TensorFlow中的每个张量都有一个数据类型和一个形状。数据类型表示张量中包含的元素的类型，如浮点数、整数、布尔值等。形状表示张量的维度和大小。例如，一个形状为[2, 3]的张量表示一个2行3列的矩阵。

张量在TensorFlow中非常重要，因为它们是模型输入、输出和参数的基本单元。在TensorFlow中，可以使用各种不同的操作来对张量进行处理，包括数学运算、逻辑运算、矩阵运算、卷积操作等。这些操作可以被组合在一起，形成一个计算图（Graph），用于实现复杂的机器学习模型。

在TensorFlow中，可以使用代码来创建和处理张量和操作。以下是一个简单的例子，演示了如何使用TensorFlow创建一个张量，然后将其加倍并打印结果：

import org.tensorflow.*;

public class TensorflowExample {
public static void main(String[] args) {
try (Graph g = new Graph();
Session s = new Session(g)) {

// 创建一个常量张量
Tensor x = Tensor.create(2.0f);

// 创建一个乘法操作
Operation op = g.opBuilder("Mul", "MyMul")
          .addInput(x)
          .addInput(x)
          .build();

// 运行计算图
Tensor result = s.runner().addTarget(op).run().get(0);

// 打印结果
System.out.println(result.floatValue());
    }
  }
}

在这个例子中，我们首先创建了一个Graph对象，用于存储计算图。然后我们创建了一个常量张量x，它的值为2.0。接着，我们使用opBuilder方法创建了一个乘法操作，并将x作为其输入。最后，我们创建了一个Session对象，并使用它来运行计算图，并获取结果张量result。我们将结果张量的值打印出来，结果为4.0，这是因为我们将x乘以自身，所以结果为2.0 * 2.0 = 4.0。

3.3 TensorFlow的计算图（Computational Graph）和会话（Session）

在TensorFlow中，计算图（Computational Graph）和会话（Session）是非常重要的概念。计算图表示了机器学习模型的计算流程，它是由一组节点（Nodes）和边（Edges）构成的有向无环图。节点表示了操作（Operation），边表示了张量（Tensor）之间的依赖关系。

计算图可以被看做是一种计算任务的抽象表示，可以通过它来描述机器学习模型的结构和参数，以及计算过程中各个节点的依赖关系。TensorFlow会将整个计算图拆分成多个子图，并将它们分配到不同的设备（如CPU、GPU等）上进行计算。这种分布式计算的方式可以大大提高计算效率。

与计算图相对应的是会话（Session），会话是TensorFlow中用于执行计算图的对象。在会话中，可以运行计算图中的节点，并获取它们的输出结果。会话还可以管理模型参数的保存和恢复，以及模型的训练和推理过程。

在TensorFlow中，通常使用以下步骤来创建和执行计算图：

  1. 创建计算图对象。
  2. 向计算图中添加节点和张量。
  3. 创建会话对象。
  4. 在会话中运行计算图的节点，获取输出结果。

下面是一个使用TensorFlow的简单示例，它构建了一个计算图来实现向量加法：

import org.tensorflow.Graph;
import org.tensorflow.Session;
import org.tensorflow.Tensor;
import org.tensorflow.TensorFlow;

public class AddVectors {

public static void main(String[] args) throws Exception {
// Create a graph
Graph graph = new Graph();
try (Session session = new Session(graph)) {
// Define the inputs
int[] a = {1, 2, 3};
int[] b = {4, 5, 6};
Tensor tensorA = Tensor.create(a);
Tensor tensorB = Tensor.create(b);

// Define the computation graph
graph.opBuilder("Add", "add")
        .addInput(tensorA)
        .addInput(tensorB)
        .build();

// Run the graph
Tensor result = session.runner().fetch("add").run().get(0);
System.out.println(result);
    }
  }
}

在这个例子中，我们首先创建了一个计算图对象Graph。然后定义了两个输入张量tensorA和tensorB，它们分别代表向量a和向量b。接下来，我们通过调用Graph的opBuilder方法创建了一个Add操作，将tensorA和tensorB作为输入，并命名为“add”。

最后，我们创建了一个Session对象，使用runner方法来运行计算图中的操作，并将输出结果保存在Tensor对象result中。最后，我们将输出结果打印到控制台。

这个例子虽然简单，但涵盖了TensorFlow的基本概念，包括计算图、操作和会话。在TensorFlow中，有许多不同的操作可以用来构建复杂的计算图，例如矩阵乘法、卷积、池化等等。

四、构建和训练模型

4.1 使用TensorFlow Java API构建模型

使用TensorFlow Java API构建模型通常涉及以下步骤：

  1. 准备数据集。这是机器学习的第一步，需要准备数据集，并将其转换为适合训练的格式，例如将图像转换为张量，将标签转换为独热编码（One-hot Encoding）等等。
  2. 构建模型。使用TensorFlow的API构建模型，包括定义输入和输出张量的形状、选择合适的层类型、设置超参数等等。
  3. 编译模型。编译模型将模型的结构和优化器（Optimizer）指定为参数，并且配置模型的损失函数（Loss Function）和性能指标（Metrics）。
  4. 训练模型。使用训练数据集训练模型，并且根据性能指标来评估模型的训练效果。
  5. 评估模型。使用测试数据集来评估模型的性能。
  6. 使用模型进行预测。使用新的数据样本来测试模型，并且根据模型的输出来做出预测。

4.2 加载数据和准备数据

在使用TensorFlow Java API构建模型之前，我们需要准备好数据。通常，我们需要将数据分成训练集和测试集，并使用训练集来训练模型，使用测试集来评估模型的性能。下面是一些加载和准备数据的基本步骤：

  1. 加载数据：我们可以使用Java的文件读取API或第三方库（如Apache Commons CSV）来加载数据。数据的格式通常是CSV、JSON或图片等。
  2. 处理数据：我们需要对数据进行一些处理，例如将类别数据转换为数字、归一化数据、填充缺失值等。可以使用Java的API或第三方库（如Apache Commons Math）来处理数据。
  3. 划分数据集：我们需要将数据划分成训练集和测试集。可以使用Java的API或第三方库（如Weka）来完成数据集的划分。
  4. 转换为张量：TensorFlow使用张量作为数据的基本单位。因此，我们需要将数据转换为张量。可以使用TensorFlow的API来完成数据转换。
  5. 数据增强（可选）：数据增强是一种提高模型性能的技术，它可以通过随机旋转、缩放、裁剪等方式来生成更多的训练数据。可以使用TensorFlow的数据增强API来完成数据增强。

4.3 训练模型和评估模型

在完成数据准备之后，我们可以使用TensorFlow Java API来训练和评估模型。下面是一些基本步骤：

  1. 定义模型：我们需要定义模型的结构和参数。可以使用TensorFlow Java API来定义模型，例如定义层、激活函数、损失函数、优化器等。
  2. 编译模型：我们需要将模型编译为可执行的代码。可以使用TensorFlow Java API来编译模型，例如设置损失函数、优化器、评估指标等。
  3. 训练模型：我们可以使用训练集来训练模型。可以使用TensorFlow Java API中的fit方法来训练模型，设置训练参数，例如epoch数、批次大小、验证集等。
  4. 评估模型：我们可以使用测试集来评估模型的性能。可以使用TensorFlow Java API中的evaluate方法来评估模型，计算损失函数、评估指标等。
  5. 使用模型：我们可以使用训练好的模型来预测新数据。可以使用TensorFlow Java API中的predict方法来进行预测。

需要注意的是，模型训练和评估可能需要一些时间和计算资源，具体的训练时间和资源消耗与模型的复杂度、训练集大小和训练参数等有关。因此，在训练和评估模型时需要根据实际情况合理分配时间和资源。

五、集成和应用

5.1 将TensorFlow模型与Java应用程序集成

在将TensorFlow模型与Java应用程序集成时，需要完成以下几个步骤：

  1. 导出模型：在TensorFlow中训练好模型后，我们需要将模型导出为可用的格式。可以使用TensorFlow的SavedModel格式来导出模型，也可以使用其他格式，例如Keras模型格式等。
  2. 加载模型：在Java应用程序中加载模型。可以使用TensorFlow Java API中的SavedModelBundle类或TensorFlow Lite API中的Interpreter类来加载模型。
  3. 输入数据：准备输入数据，以便将其传递给加载的模型进行预测。数据格式需要与模型输入格式匹配。
  4. 预测输出：将输入数据传递给模型进行预测，获得输出结果。可以使用TensorFlow Java API或TensorFlow Lite API中的相关方法进行预测。
  5. 处理输出：对预测输出进行后续处理。例如，如果模型的输出是一个概率分布，可以选择取最大概率的类别作为预测结果。

5.2 部署TensorFlow模型到生产环境

  1. 选择合适的部署方式：TensorFlow支持多种部署方式，例如使用TensorFlow Serving、将模型转换为TensorFlow Lite模型以在移动设备或嵌入式系统上运行、使用TensorFlow.js将模型部署到Web应用程序等等。根据实际需求选择合适的部署方式。
  2. 考虑安全性：在将模型部署到生产环境时，需要考虑模型的安全性。例如，确保模型不受到未经授权的访问、防止对模型进行恶意访问、对敏感数据进行加密等等。
  3. 监测和维护：在生产环境中运行的模型需要进行监测和维护。例如，对模型的性能、精度等指标进行监测，发现问题及时进行处理。还需要定期对模型进行更新和重新训练，以保证模型的性能和精度。
  4. 考虑部署环境的要求：在部署模型时，需要考虑部署环境的要求。例如，需要考虑部署环境的计算资源、内存和存储空间等等。确保部署环境满足模型的运行要求。
  5. 考虑数据流水线的要求：在部署模型时，需要考虑数据流水线的要求。例如，需要考虑如何将输入数据传递给模型进行预测，并将预测输出返回给应用程序。此外，还需要考虑如何对输入数据进行预处理和后处理。

需要注意的是，在将TensorFlow模型部署到生产环境时，需要进行充分的测试和验证，以确保模型的性能和精度符合要求。同时，还需要对模型进行优化和调整，以满足生产环境的需求。

5.3 TensorFlow在Java中的实际应用示例

首先，我们需要训练一个推荐系统模型。我们需要下载Movielens数据集。您可以从以下链接下载Movielens数据集：​​https://grouplens.org/datasets/movielens​​ 我们将使用ml-latest-small.zip文件，其中包含一个小型版本的Movielens数据集，包含100,000个电影评分。

在Java中，我们可以使用TensorFlow Java API来加载和处理数据集。我们可以将评分数据和元数据读入Java数据结构中，然后将其转换为TensorFlow张量。例如，我们可以将评分数据转换为以下形式的张量：

// 假设ratings是一个Map，键是用户ID，值是电影ID和评分
Tensor<Integer> userIds = Tensor.create(ratings.keySet().toArray(new Integer[0]), Integer.class);
Tensor<Integer> movieIds = Tensor.create(ratings.values().stream().map(pair -> pair.getMovieId()).toArray(Integer[]::new), Integer.class);
Tensor<Float> ratings = Tensor.create(ratings.values().stream().map(pair -> pair.getRating()).toArray(Float[]::new), Float.class);

接下来，我们需要定义一个TensorFlow模型。在这个示例中，我们将使用一个基于矩阵分解的模型来进行推荐。该模型将用户和电影表示为向量，并使用这些向量来预测用户对电影的评分。我们可以使用TensorFlow的tf.keras API来定义和训练这个模型：

// 定义模型
KerasSequentialModel model = new KerasSequentialModel();
model.add(new Embedding(nUsers, embeddingSize, inputLength=1));
model.add(new Flatten());
model.add(new Dense(1, activation=Activations.SIGMOID));

// 编译模型
model.compile(optimizer=Optimizer.ADAM, loss=Loss.MEAN_SQUARED_ERROR);

// 训练模型
model.fit(Arrays.asList(userIds, movieIds), ratings, epochs=numEpochs, batchSize=batchSize);

最后，我们可以将训练好的模型保存为TensorFlow SavedModel格式，并将其集成到Java应用程序中：

// 保存模型
SavedModelBundle bundle = SavedModelBundle.create(modelPath, "serve");
bundle.save(new File(savedModelPath), "1");

// 加载模型
SavedModelBundle model = SavedModelBundle.load(savedModelPath, "serve");

现在，我们就可以使用Java应用程序来进行推荐了。我们可以使用模型来预测用户对电影的评分，并为每个用户生成一个个性化的推荐列表：

// 预测评分
Tensor<Float> predictions = model.session().runner()
    .feed("user_ids", userIds)
    .feed("movie_ids", movieIds)
    .fetch("predictions")
    .run()
    .get(0)
    .expect(Float.class);

// 生成推荐列表
Map<Integer, List<Integer>> recommendations = new HashMap<>();
for (int i = 0; i < predictions.numDimensions(); i++) {
int userId = userIds.getInt(i);
int movieId = movieIds.getInt(i);
float rating = predictions.getFloat(i);
if (rating > threshold) {
recommendations.computeIfAbsent(userId, k -> new ArrayList<>()).add(movieId);
    }
}

六、总结

随着机器学习和深度学习的普及，TensorFlow在Java中的应用也将越来越广泛。TensorFlow提供了丰富的API和工具，使得在Java中使用TensorFlow变得更加容易和高效。

未来，我们可以期待TensorFlow在Java中的进一步发展和应用，包括：

  1. 更多的深度学习模型和算法在Java中的实现，以满足不同的应用场景和需求。
  2. 更好的性能和效率，包括支持GPU加速和多线程计算等，以提高计算速度和处理大规模数据的能力。
  3. 更多的工具和库的集成，例如可视化工具和自动化调参工具，以提高模型的开发和优化效率。
  4. 更多的应用场景和案例，例如推荐系统、自然语言处理、图像识别等，在Java中实现并应用TensorFlow模型。


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